一种研磨工具磨料颗粒有序排列的方法及研磨工具

摘要

本发明涉及用于切削、研磨的研磨工具磨料颗粒有序排列的方法，其应用于金刚石等工具的切削端和金刚石工具，它典型地是用于切削和钻研各种硬的易碎的物质，例如花岗岩、大理石、混凝土结构、和沥青结构等建筑结构中。本申请发明了一种吸附模板，其根据所需金刚石、等等磨料颗粒排列要求设计一磨料颗料单层排列薄模板，所述的模板可以单层地将金刚石等磨料颗粒吸附在模板上；将模板置于胎体上，将金刚石磨料颗粒压入内胎体内，金刚石颗粒单层有序附着在胎体上即可制实现磨料颗粒的有序排列。

说明书

技术领域

本发明涉及用于切削、研磨的研磨工具的改进，如金刚石工具的切削端和金刚石工具，它典型地是用于切削和钻研各种硬的易碎的物质，例如花岗岩、大理石、混凝土结构、和沥青结构等建筑结构中，尤其是，用于金刚石等磨料颗粒工具的切削端和工具提高切削综合效率的金刚石颗粒的有序排列。

背景技术

人造金刚石是地球上具有最高硬度的材料，由于这一特性其被广泛地用于切削和磨削工具。尤其是，金刚石工具在加工石材和建筑结构件时，用于切削和磨削石头；金刚石等磨料颗粒工具一般有切削端，金刚石或其它磨料颗粒分布在的切削端上，切削端固定在其上的工具本体上。

在金刚石的锯片中理想的结构是颗粒出刃高而颗粒间隙适宜，从而极大改善磨屑的排除和冷却液的输送，而提高了磨削能力和刀具的寿命。有序排列的颗粒分布还能保证加工安全性的提高；一般的磨料工具，如一金刚石锯片，是由金刚石颗粒(如40/50美国筛目)混合以适当的基体(粘合剂)粉末(如1.5微米大小的钴粉末)。该混合物送入一模具中制成所需的形状。该模坯再经摄氏700-1200度烧结成一体形成其中设置有多磨料颗粒的单体，最后，这一单体被焊到一工具本体上，诸如一锯片的刀刃上，成为切削工具。

然而，不同的应用需要不同的金刚石和金属粉末的结合，如对于在钻和锯方面，需用要将大尺寸(20-60筛目)的金刚石与金属粉末相混合，金属粉末一般是从钴、镍、铁、铜、青铜，这些材料的合金和或混合物中选取；对于磨方面，则需要小尺寸(60/400美国筛目)的金刚石颗粒或立方与金属，一般为青铜，陶瓷/玻璃，一般为氧化钠、氧化钾、氧化矽和氧化铝的混合物或树脂相混合。

由于金刚石比基体粉末大得多，并且比后者轻得多，所以将二者混合均匀是很困难的，况且，在生产的多道工序中，如在将混合物倒入模具中，或者在混合物受到振动时，金刚石仍会从金属中分离出来。

一种试图使金刚石分布均匀的方法是用基体粉末涂层将金刚石颗粒包住。各金刚石工具中金刚石颗粒的浓度是适合特定应用的，浓度决定了金刚石颗粒之间的平均距离；如果将金刚石涂成一较大的颗粒并将已涂完的颗粒混合在一起，该金刚石分布会受到涂层厚度的控制而变得均匀。另外，金属粉末可以被作为这些作为已涂颗粒的间隙填料来增加包裹的效率以使在随后的烧结中基体粉末的结合更容易。

上述涂层的方法确有一定的益处，但实际上涂层的均匀是难以做到的，如Chen、Sung美国专利号5024680、5062865描述了一种使用液化床对金刚石颗粒进行涂层的CVD方法，美国专利第4943488和5116568描述了另一种方法液化床对复晶金刚石进行涂层的方法，然而大多数方法只能产生较薄的涂层仅几微米，而不会对金刚石的分布产生影响，而且化学涂层的方法需要在高温下超过900度进行处理而会导致金刚石的损伤，在此温度下合成金刚石会产生微裂是众所周知的。

台湾的宋健民博士发明了一种二维法，其设置一基体材料层，将磨料以所需的图案设置在基体材料层中，在金刚石颗粒以预定图案植入基体材料后，重复该生产过程直到形成所需数量的层，这些层被组装在一起从二维体形成所需的三维体，再结合到工具上即形成制品。

其具体方法是：先形成一粘结基体薄层即一二维体，一模板被设置在该粘结基体上，该模板上具有多个制成容置特定尺寸的磨颗粒大小的孔，每孔设一磨粒，当磨料颗粒进入该孔时，其可以被压入或移入粘结基体中。然而，磨料颗粒是十分细小的，为40/50美国筛目锯粒，其不可能将每一粒磨料一个一个地放入到模板内，因此，这一方法不可能实现工业化。

总之，现有技术无法有效控制工具中金刚石的均匀分布，当然更不可能在工具中不同的位置实现不同的并按人为设计要求的金刚石排列设定。

发明内容

金刚石均匀分布/有序排列的性能：

金刚石等磨粒的间距决定了其工作负荷，磨料颗粒不适当的间距会导致磨料表面上或结构上的过早失效，因此，如果磨料颗粒靠得太近，一些磨料颗粒就是多余的，增加了磨料的费用，同时无功能的磨粒会堵塞岩石碎片的通道，从而降低切削效率。

当均匀分布有序排列时，金刚石间距可根据切割对象与锯切条件不同实现最优化。经锯切后发现，有序排列锯片85％的金刚石间距2-5mm，而普通锯片该间距的比例仅为60％。金刚石含量的增加对切割载荷影响不大，但切割时间明显延长，锯片寿命与效率明显提高。

金刚石浓度：当金刚石浓度提高时，有序排列金刚石的寿命成几何级数提高，同时保持良好的锯切能力，但随着浓度的进一步提高，锯切能力趋于下降。

金刚石的凸出高度，其特别影响锯切效率和锯片寿命，其取决于金刚石的颗粒大小和金刚石的布阵及胎体的把持能力。因此，金刚石、等等磨料颗粒定向排列在工具基体上对锯、磨工具的影响是十分显著的。本发明的目的是提供一种可以工业化应用的方法将磨料颗粒排列在切割、磨削工具基体上。

本发明的方法是选取一胎体；

一吸附模板，其根据所需金刚石、等等磨料颗粒排列要求设计一磨料颗料单层排列薄模板，所述的模板上有一层吸附层，可以将单层金刚石颗粒吸附在模板上；

将模板置于胎体上，将金刚石磨料颗粒压入内胎体内，金刚石颗粒单层有序附着在胎体上。

所述的模板含有吸附剂，其有较低的粘度，较高的固化份、低溶剂。

所述的胎体为一膏状物质，金刚石颗粒嵌入载体内后，加热固化或凉干固化成为金刚石有序排列的单层胎体。

所述的胎体为金属粉末和粘合剂混合而成，待接近于固化时，将吸附磨料颗粒单面压入胎体内，或者在胎体双面压入磨料颗粒。

根据需要刀具厚度将上述坯体多块合为一体，进行装模烧结。

所述刀具其由多块胎体组成，其每一层胎体磨料颗粒排列方式是相同的，也可以是不同的；如外层密度高，内层密度低、颗粒大。

本发明的另一方案是：

一胎体；

一电、磁吸附底板，根据所需金刚石排列要求设计金刚石待磨料颗粒排列模式的吸附底板；

将金刚石等磨料颗粒单层吸附在底板上；

再将附着金刚石颗粒的底板嵌入到胎体上，将底板分离，金刚石颗粒则有序地排列在胎体上。

所述的吸附底板为经阴极电辐射形成的吸附平面板，再将平面板上不需吸附磨料颗粒位置进行遮盖，形成磨料颗粒电磁吸附底板。

所述的吸附底板还可以为等离子体板。

所述的吸附板为一种带电板，可以带正电，也可以是负电。

所述的胎体由金属粉末及粘合剂经模压制成。

根据切割要求选择胎体的层数，采用静压或冲压方式将多层胎体合为一体，再装模烧结。

所述刀具其由多块胎体组成，其每一层胎体磨料颗粒排列方式是相同的，也可以是不同的；如外层密度高，内层密度低、颗粒大。

因此，本发明设计出了带吸附力的底板，底板的形状、图案可以方便地根据磨料颗粒所需要的位置设定，而且吸附是单层的，将这样带有定向磨料的底板压入或结合到胎体内，在胎体上就形成了带有定向磨料颗粒的胎体，磨料颗粒的位置完全可以根据人为的设计任意定义在胎体上。磨料颗粒可以实现均匀的排布，也可以根据所需提供的切削、研磨件的特定切削力进行计算磨料颗粒的排布，例如，在锯子切削边的金刚石分布在前缘和侧边上可设计多，密集一些，在锯片的中段颗粒可少布些。

经实践：优化的有序排列的锯片与无序排列的锯片的综合比较，金刚石颗粒的浓度低，实切效果1150m(无序排列锯片实切450m)，切割平稳不崩边，不跑锯，切割机综合电耗下降30％，近地点噪声下降10db(A)，寿命是无序排列的3倍，切割效率提高了30％。

附图说明

图1为由三层胎体组成磨料颗粒定向排列结构示意图；

图2为吸附模板结构示意图；其中图2A为磨料颗粒斜向排列；图2B为磨料颗粒正向排列的；图2C为磨料颗粒交错式排列；

图3为电磁底板吸附金刚石颗粒示意图；

图4是本发明单个胎体另一种方式组合成切割部的方式。

具体实施方式：

实施例1：

参见图1，其表示金刚石工具的切削端上一部分的立体图，标记为10，该部分10由三层胎体11、12、13、14组成，这些层中六角形块1表示为磨料颗粒；

参见图2，本发明采用一种电磁吸附板20，其经电晕处理后具有单层吸附能力，其可以吸附磨料颗粒金刚石、，由于吸附上一层金刚石或后，其吸附位置被占据，其它磨料颗粒就不再被吸附，因此，其是单层的，而吸附板可以按金刚石或等磨料要求排列位置设计的吸附板，因此，金刚石、氮化硅在中吸附板上是有序定向的排列，而这种排列形式可以根据设计者的要求任意设计吸附板就可以实现了。

图2所示图为磨料颗粒在吸附板上的排列图示；其中图2A为磨料颗粒斜向排列；图2B为磨料颗粒正向排列的；图3C为磨料颗粒交错式排列；

在实际应用中，吸附板也可以是一平面，如图3，另配合一遮盖板21，遮板21贴于吸附板上，其可以将不而吸附磨料颗粒的位置进行遮盖，再将磨料颗粒，金刚石等磨料颗粒吸附上模板上，同样实现金刚石颗粒在模板上的定向有序排列，这种方法的好处在于吸附板便于处理，而遮盖板是随意的，可以方便处理的。

而对于胎体薄片30，有许多方法可制造，如，该粉末可先与一种适当的粘合剂，一般为有机物，和可溶解该粘合剂的溶剂相混合，为了防止在制造过程中的结块，必需加入适当的分散剂，如磷酸酯，制成一均匀的浆料，送入二辊的压延机(制造橡胶设备)进行压延，就制造出的胎体薄片，这种压延设备在橡胶、塑料制造业中十分常见，调整二辊之间的距离，就可以控制生产出的薄片厚度。

为了使胎体薄片易于后道工序的处理，如增加其塑性，制造锯片的弯曲端部，可以加入适当的有机塑胶物质，树脂、增塑剂等等，粉末与有机物混合是塑胶工业中的一基础专业，并为本专业人员所熟知。典型的粘合剂包括有多元醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙二醇(PEG)、石蜡、酚醛树脂、丙烯酸树脂。典型的粘合剂溶剂包括甲醇、乙醇、丙酮、三氯乙烯、甲苯等。典型的可塑性增强剂有聚乙二醇、草酸乙二醇、三甘醇二氢松香酯、甘油、松香及各种增塑剂等。所有这些有机介质是便于材料层制造的，其必需在材料粉末结合前被去除。该粘合剂去除的办法是本专业的常识。

胎体30完成后，带有磨料颗粒金刚石或的吸附板被放置在胎体上，进行准确定位后，将磨料颗粒压入到胎体上，移去吸附板，这样磨料颗粒就有序地排列在胎体内。磨料颗粒嵌入到胎体的深度是可以根据需要设计的，颗粒凸出高度是本专业人员熟知的问题。

吸附板的制造，可以是一金属板经电晕处理，其就有吸附性，将一遮盖板，如一纸板将其不吸附位置遮盖，吸附板就可实现定向的吸附的。

所述的吸附板更好地是等离子体板，其具有很好的单层吸附功能。

所述的吸附板可以是带电板，其可以在带弱电状态下具有吸附性。图4显示了本发明将带有磨料颗粒有序排列的胎体以横向组装的方式，图4中的切割部由多个横向层胎体41组成。其不同上述实施例是其组合成的切割部是横向应用的，这要求其磨料颗粒横向在工具的定位，按此要求制作模板。总之，将磨料颗粒的定位方式是可以多种，只要依照本发明将磨料颗粒定向有序地吸附在底板上就可以方便地实现了。

实施例2：

本实施例的吸附底板为一带粘合剂，其吸附能力是由化学物质吸附，不同于实施例电、磁吸附，其余相同。

实施例3：

选取40/50美国筛目的金刚石颗粒(DE BEERS公司制SDA-85)，胎体材料为金属粉末与丙烯酸树脂的混合物，金属粉末含五种不同的钴和青铜，按比例配制，丙烯酸树脂粘合剂加入到配制好的粉末中，混合成一块状物，将块状物送入压辊压延机被压成1mm厚度的薄片，将带有上述金刚石颗粒的吸附板设置于上述薄片上，压入金刚石于薄片内，分离吸附板，将薄片切成40mm长和15mm宽的金刚石锯齿，将三个这样的锯齿层组装在一起并放置在一石墨模中以制成传统的金刚石锯齿，该石墨模经由通电加热使三层锯齿层被压合，经约三分钟的烧结后，该锯齿被烧结成9mm高并带有小于1％的气孔。二十四个锯齿采用激光焊在一直径14英寸的圆锯片上。这种锯片用于切割花岗岩，其性能超过了传统锯片。